牽引傳動(dòng)用高壓IGBT研究開發(fā)與應(yīng)用推廣
高壓IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是牽引變流器的"心臟"，是交流傳動(dòng)技術(shù)的"核芯"。本項(xiàng)目屬電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及先進(jìn)功率半導(dǎo)體器件IGBT的設(shè)計(jì)、工藝、測試與應(yīng)用等多種技術(shù)。軌道牽引變流器具有特殊的牽引系統(tǒng)負(fù)荷特性，車載器件的運(yùn)行環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，對牽引級IGBT的靜動(dòng)態(tài)特性與可靠性提出了很高的要求，器件需能承受高壓大電流、具有優(yōu)化的動(dòng)態(tài)特性、更大的安全工作區(qū)及更高的工作結(jié)溫。牽引級IGBT代表了該類器件的最高技術(shù)水平，其技術(shù)與產(chǎn)品長期被國外少數(shù)幾家公司壟斷。針對軌道交通應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合中國鐵路特殊應(yīng)用工況，本項(xiàng)目基于8英寸IGBT芯片工藝平臺(tái)，對牽引級高壓IGBT/FRD（快恢復(fù)二極管）芯片及其模塊的設(shè)計(jì)和工藝制造技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)的主要科技創(chuàng)新有：
1）建成國內(nèi)首條8英寸IGBT芯片專業(yè)生產(chǎn)線，解決了導(dǎo)通壓降、開關(guān)特性、短路能力、IGBT 與FRD 匹配使用之間難以協(xié)調(diào)的國際性技術(shù)難題，開發(fā)出牽引傳動(dòng)用高壓IGBT 系列化器件并成功批量應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，為中國鐵路事業(yè)快速發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為中國高鐵走向全球提供核心競爭力；
2）首創(chuàng)柵極區(qū)懸浮P總線和"環(huán)+區(qū)"（場限環(huán)+橫向變摻區(qū)/結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)）結(jié)構(gòu)，結(jié)合采用環(huán)繞邊緣元胞及與終端區(qū)交疊的P型總線結(jié)構(gòu)，極大地改善了邊緣電場分布，抑制電場尖峰，提高芯片耐壓性能與功率密度及抗閂鎖能力；
3）對芯片的元胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，綜合采用臺(tái)面柵結(jié)構(gòu)、P阱側(cè)翼摻雜結(jié)構(gòu)、"U"形槽發(fā)射極電極結(jié)構(gòu)及元胞級串聯(lián)柵電阻結(jié)構(gòu)等技術(shù)，成功將芯片功耗降低10%以上，功率密度提高25%以上，并提高了芯片的安全工作區(qū)性能；
4）首創(chuàng)IGBT背部雙N緩沖層結(jié)構(gòu)及其擴(kuò)散工藝技術(shù)，成功將芯片的短路能力提升到200%，大幅提升芯片應(yīng)用的長期可靠性；
5）首創(chuàng)綜合運(yùn)用載流子增強(qiáng)技術(shù)、注入控制技術(shù)以及多重質(zhì)子注入等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)8英寸晶圓的可制造性，并提高了芯片的開關(guān)速度、改善漏電流，成功將芯片的最高工作結(jié)溫從125℃提高到150℃以上；
6）開創(chuàng)寬地域適應(yīng)的IGBT應(yīng)用技術(shù)。在模塊設(shè)計(jì)上首次提出新型垂直式電流環(huán)路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電流回路面積優(yōu)化，降低模塊內(nèi)部雜散電感，減小開關(guān)過程中的過沖電壓，提高模塊可靠性與壽命。
本項(xiàng)目建設(shè)了國內(nèi)首條8英寸IGBT芯片專業(yè)生產(chǎn)線，形成了一整套自主開發(fā)的高功率密度IGBT/FRD的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，填補(bǔ)我國高端IGBT核心技術(shù)與產(chǎn)品的空白，打破國外IGBT技術(shù)封鎖與產(chǎn)品壟斷，結(jié)束我國鐵路高端裝備核心器件長期受制于人的局面，打通國內(nèi)先進(jìn)功率半導(dǎo)體芯片-模塊-裝置-系統(tǒng)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，支撐中國鐵路牽引動(dòng)力的自主創(chuàng)新與技術(shù)進(jìn)步。項(xiàng)目成果總體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，已安全運(yùn)營數(shù)百萬公里，累計(jì)裝車超1000臺(tái)，支撐功率模塊銷售累計(jì)收入逾35億元。此外，項(xiàng)目成果已快速推廣應(yīng)用到智能電網(wǎng)、新能源、工業(yè)變流、軍工等領(lǐng)域，對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有良好的支撐與推動(dòng)作用。申請發(fā)明專利38項(xiàng)，實(shí)用新型9項(xiàng)，獲得發(fā)明專利授權(quán)4項(xiàng)，發(fā)表論文26篇。
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